摘 要：CANopen是一個開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用層協(xié)議， 在各種控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性、靈活性和兼容性。結(jié)合工業(yè)控制中的自調(diào)勻整系統(tǒng)，采用CANopen協(xié)議實現(xiàn)了CAN總線上下位機(jī)之間的通信，并通過測試證明各通信模塊具有較強(qiáng)的在線可控性，保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：CANopen協(xié)議；CAN總線；DSP；對象字典

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1517803

Application of CANopen Protocol in Fieldbus Network

JIA Jia

(Xi′an Aeronautical Polytechnic Institute，Xi′an，710089，China)

Abstract：CANopen is a sort of exoteric and standard application layer protocol， the use of it enhances the reliability，agility and compatibility in all kinds of control system.This paper decribes its communication between machines by associating with the autolevel control system.The on-line controllable is verified by testing experiment between communications modules，the reliable and stabilization of the whole system are ensured.

Keywords：CANopen protocol;CAN bus;DSP;object dictionary

1 引 言

基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究是自動控制領(lǐng)域發(fā)展的一個熱點(diǎn)。在各種各樣的工業(yè)現(xiàn)場總線中，CAN總線以其成本低、速度快、實時性和可靠性較高等特點(diǎn)被快速應(yīng)用于汽車電子、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域。但是，CAN總線只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，本身并不完整，針對這一問題，CiA(CAN in Automation)協(xié)會經(jīng)過不斷的發(fā)展于1995年發(fā)布了完整的CANopen協(xié)議，它不僅定義了應(yīng)用層和通訊子協(xié)議，也為可編程系統(tǒng)、不同器件、接口、應(yīng)用子協(xié)議定義了幀狀態(tài)，為基于現(xiàn)場總線的全數(shù)字分布式控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和系統(tǒng)的一體化管理提供了解決之道^［1］。

本文以改善現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)的運(yùn)行效率，提高實時性和信息處理能力為前提，針對并條機(jī)自調(diào)勻整控制系統(tǒng)中各功能模塊的作用，淺析CAN總線高層通訊協(xié)議CANopen，實現(xiàn)各功能模塊間的數(shù)據(jù)通信。通過實驗測試，證明系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，保證了全數(shù)字分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工作的快速性、準(zhǔn)確性和實時性。

2 CANopen協(xié)議概述

2.1 設(shè)備模型

CANopen協(xié)議是由CiA協(xié)會針對CAN協(xié)議的不完整性而定義出來的一個更高層次的協(xié)議——應(yīng)用層協(xié)議。一個CANopen 設(shè)備模塊可以被分為3 部分，如圖1 所示。通信接口和協(xié)議軟件提供在總線上收發(fā)通信對象的服務(wù)。不同CANopen 設(shè)備間的通信都是通過交換通信對象完成的。這一部分直接面向CAN 控制器進(jìn)行操作。對象字典描述了設(shè)備使用的所有的數(shù)據(jù)類型，通信對象和應(yīng)用對象。對象字典位于通信程序和應(yīng)用程序之間，向應(yīng)用程序提供接口，應(yīng)用程序?qū)ο笞值溥M(jìn)行操作就可以實現(xiàn)CANopen通信。應(yīng)用程序包括功能部分和通信部分，通信部分通過對對象字典進(jìn)行操作實現(xiàn)CANopen通信，而功能部分則根據(jù)應(yīng)用要求實現(xiàn)^［2，3］。

2.2 對象字典

對象字典(Object Dictionary，OD)是一個有序的對象組，每個對象采用一個16位的索引值來尋址，為了允許訪問數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的單個元素，同時定義了一個8位的子索引，對象字典的結(jié)構(gòu)參照表1，對象字典的描述參照表2。

在CANopen網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中每個節(jié)點(diǎn)都有一個惟一的對象字典，每個節(jié)點(diǎn)的對象字典都具有相同的結(jié)構(gòu)，但具體的內(nèi)容要根據(jù)不同的設(shè)備而定，包含了描述這個設(shè)備和它的網(wǎng)絡(luò)行為的所有參數(shù)。

2.3 通訊對象

通過CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腃ANopen通訊對象可以通過服務(wù)和協(xié)議來描述。分類如下：

(1) 實時數(shù)據(jù)通過過程數(shù)據(jù)對象(PDO)協(xié)議傳輸。

用8個字節(jié)的數(shù)據(jù)字段把過程數(shù)據(jù)對象PDO映象到一個單一的CAN幀從而傳輸應(yīng)用對象。每個PDO有一個惟一的標(biāo)識符且僅可以通過一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送，但其接收者不止一個。每個PDO在對象字典中用2個對象描述：PDO通訊參數(shù)，規(guī)定了PDO的通訊行為，包含哪個COB ID將被PDO使用，傳輸類型，禁止時間和定時器周期；PDO映射參數(shù)，規(guī)定了哪個對象被映射到一個PDO里，生產(chǎn)者和消費(fèi)者必須知道這個映射，以解釋PDO內(nèi)容。

(2) 服務(wù)數(shù)據(jù)對象(SDO)協(xié)議用來對對象字典進(jìn)行讀寫操作。

通過服務(wù)數(shù)據(jù)對象SDO可以訪問一個設(shè)備的對象字典。為了使通訊得到確認(rèn)，一個SDO需要兩個帶有不同標(biāo)識符的CAN數(shù)據(jù)幀，通過SDO，在兩個設(shè)備間可以建立點(diǎn)對點(diǎn)的通信，被訪問對象字典的設(shè)備是SDO通訊的服務(wù)器，一個設(shè)備可以支持多個SDO對象，但是，至少有一個SDO在一個設(shè)備中被支持。

(3) 特殊功能對象協(xié)議提供了特定應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)同步，時間戳和緊急報文傳輸。

(4) 網(wǎng)絡(luò)管理(NMT)協(xié)議提供了網(wǎng)絡(luò)初始化，錯誤控制和設(shè)備狀態(tài)控制服務(wù)。

在CANopen網(wǎng)絡(luò)中，需要一個節(jié)點(diǎn)履行NMT的Master (主節(jié)點(diǎn))功能。其他節(jié)點(diǎn)作為NMT的Slave (從節(jié)點(diǎn))。NMT提供了以下功能：模塊控制服務(wù)(初始化參加網(wǎng)絡(luò)通訊的從節(jié)點(diǎn))；錯誤控制服務(wù)(管理節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)通訊的狀態(tài))；配置控制服務(wù)(上傳和下載網(wǎng)絡(luò)的配置數(shù)據(jù))。

(5) 層設(shè)置服務(wù)(LSS)協(xié)議用來配置CAN總線通訊參數(shù)和設(shè)備參數(shù)。

使用CANopen協(xié)議定義的LSS報文實現(xiàn)對CAN總線網(wǎng)絡(luò)的配置，包括節(jié)點(diǎn)ID，通訊波特率，儀器的產(chǎn)品號、序列號等。LSS報文在CANopen協(xié)議通訊中是可選的，可以在節(jié)點(diǎn)初始化時直接指定節(jié)點(diǎn)ID，通訊速率等參數(shù)，它的使用可以提高系統(tǒng)靈活性。

3 通信網(wǎng)絡(luò)的CANopen協(xié)議實現(xiàn)

3.1 自調(diào)勻整系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本并條機(jī)自調(diào)勻整系統(tǒng)由鍵盤顯示控制器、DSP控制器、A孔伺服電機(jī)控制器、B孔伺服電機(jī)控制器、PLC邏輯控制器和PC機(jī)監(jiān)控組成，各節(jié)點(diǎn)在CAN總線的基礎(chǔ)上采用CANopen協(xié)議實現(xiàn)通訊，完成系統(tǒng)預(yù)定義的功能。圖2所示為A孔開環(huán)式并條機(jī)自調(diào)勻整原理圖。

3.2 硬件部分

DSP控制器部分為整個系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)對整個通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算、工作控制。下面主要說明DSP控制器的CANopen協(xié)議實現(xiàn)。

采用集成CAN模塊的TMS320F2810 DSP實現(xiàn)，它有多達(dá)32個郵箱，占用512 B RAM，都可以配置為發(fā)送或接收郵箱，且都有一個可編程的接收屏蔽寄存器。這樣就使數(shù)據(jù)傳輸更加方便靈活、信息量大大增加。圖3為DSP控制器CAN總線部分驅(qū)動電路圖，分別選用TMS320F2810的64引腳CANTXA和65引腳CANRXA作為CAN總線的發(fā)送和接收引腳。采用 ADuM1100高速數(shù)字隔離器替代傳統(tǒng)的光電耦合器。采用MCP2551作為高速CAN收發(fā)器，具有差分發(fā)射和接收能力，可將許多節(jié)點(diǎn)與同一網(wǎng)絡(luò)相連接。

3.3 軟件部分

根據(jù)CANopen協(xié)議軟件框架，分別設(shè)置了NMT報文、SYNC報文、SDO報文、PDO報文和Heartbeat報文，并針對DSP控制器從節(jié)點(diǎn)的性質(zhì)及其與各節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，設(shè)置了各報文的COB-ID，見表3。

在系統(tǒng)中鍵盤顯示控制器為主節(jié)點(diǎn)，通過液晶顯示監(jiān)控各從節(jié)點(diǎn)信息，主節(jié)點(diǎn)通過檢測 4個從節(jié)點(diǎn)發(fā)送的周期性心跳報文(Heartbeat)來判斷各個從節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。圖4為DSP控制器從節(jié)點(diǎn)的CANopen協(xié)議通訊流程：在系統(tǒng)上電后，首先向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送Boot-up報文，通知主節(jié)點(diǎn)進(jìn)入Pre-operational狀態(tài)，等待主節(jié)點(diǎn)的SDO報文訪問對象字典，在完成對象字典的配置后，等待接收主節(jié)點(diǎn)的NMT報文進(jìn)入Operational狀態(tài)，開始PDO報文的發(fā)送及接收，完成信息數(shù)據(jù)的交換，實現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)控制。

4 測試結(jié)果

為了保證系統(tǒng)中每個模塊都能夠正常工作，需要設(shè)計一個能夠與PC機(jī)進(jìn)行實時通訊的通用板，滿足對系統(tǒng)各部分在實驗室環(huán)境下進(jìn)行測試，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。采用LabVIEW軟件設(shè)計PC機(jī)監(jiān)控面板，內(nèi)置信號采集、測量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，摒棄了傳統(tǒng)開發(fā)工具的復(fù)雜性，在提供強(qiáng)大功能的同時還保證了系統(tǒng)靈活性。

在監(jiān)控面板上可以設(shè)置節(jié)點(diǎn)號(Node ID)，主/從節(jié)點(diǎn)，設(shè)置要發(fā)送報文的類型(如TPDOn，SDO，NMT，Heartbeat，LSS)及內(nèi)容(數(shù)據(jù)長度，內(nèi)容)，選擇通訊端口，還可以觀察到接收的CAN報文類型、數(shù)據(jù)長度、節(jié)點(diǎn)號和報文內(nèi)容。圖5顯示的數(shù)據(jù)是在初始化狀態(tài)時進(jìn)行的設(shè)置，可以在數(shù)據(jù)接收窗口看到進(jìn)行LSS節(jié)點(diǎn)號設(shè)置和存儲設(shè)置參數(shù)的返回報文，以及節(jié)點(diǎn)根據(jù)CANopen協(xié)議的規(guī)定發(fā)送Boot-up報文，和進(jìn)入預(yù)操作狀態(tài)后的Heartbeat報文。

5 結(jié) 語

本文將CANopen協(xié)議應(yīng)用于自調(diào)勻整系統(tǒng)，實現(xiàn)了現(xiàn)場總線分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的數(shù)字化、模塊化，增強(qiáng)了設(shè)備的可擴(kuò)展性，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。這種基于現(xiàn)場總線應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的開發(fā)和使用，對提高系統(tǒng)的工作效率，特別是對復(fù)雜系統(tǒng)的研制具有一定的指導(dǎo)意義。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］郇極，楊斌，魏繼光.一種開放式的現(xiàn)場總線協(xié)議CANopen［J］.制造業(yè)自動化，2002，24(10)：33-34.

［2］CiA.CANopen［Z］.1996.

［3］Boterenbrood H.CANopen:High Level Protocol for CAN-bus［Z］.2000.

［4］王付軍，陶維青.基于CAN的高層協(xié)議CANopen與PeviceNET的比較\\.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(4):111-113，117.

作者簡介 賈 佳 女，1980年出生，陜西西安人，現(xiàn)任教于西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，助教，碩士研究生。主要從事于CANOopen協(xié)議應(yīng)用開發(fā)，DSP、虛擬儀器以及FPGA的教學(xué)和研究。